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碧水计划之废水处理中的沉淀溶解平衡问题
第2课时 沉淀溶解平衡的调控
授课教师：安徽省蚌埠第一中学 龚道玉
【教学过程】
环节一：分析氢氧化镁处理酸性废水的原理
创设情境：在废水处理中， 水处理剂扮演了重要的角色。氢氧化镁由于其安全、无毒、无害、 使用效果好等优点被称为是“环境友好型” 的绿色安全废水处理剂， 可以综合酸性废水和沉降 重金属离子。
知识回顾：上一节课模拟了氢氧化镁处理酸性废水的过程，实验现象如图所示。
图 1 模拟氢氧化镁处理酸性废水的实验现象
知识回顾：使用传感器测定了 pH 的变化
图 2 模拟氢氧化镁处理酸性废水的 pH 变化图
问题串 1：①结合实验现象和 pH 曲线，分析 pH 是如何变化的？②原理是什么？
活动 1：学生基于现象和图像分析， pH 先不变、加酸后 pH 先减小后增大、 一段时间后保持 不变。
活动 1-续：氢氧化镁先建立沉淀溶解平衡， 加酸后平衡被破坏， 一段时间后又重新达到平衡， 说明沉淀溶解平衡是“动态平衡 ”。
评价 1：评价学生现象与原理的关联水平。
（设计意图引导学生基于实验现象、数据等证据素材， 认识水溶液中的离子平衡， 建立与化 学原理之间的关联，挖掘现象背后所蕴含的本质和规律，发展微粒观）
问题 2：如何判断平衡的移动方向？
活动 2：学生讨论， 得出结论。依据浓度商 Q 和平衡常数 Ksp 的关系， 当 Q＞Ksp 平衡逆向 移动，体现为沉淀生成；Q=Ksp 达到平衡状态，Q＜Ksp 平衡正向移动，体现为沉淀溶解。评价 2：通过学生的回答，评价已有知识的掌握和迁移水平。
（设计意图基于已有的 Q 和平衡常数的关系，判断平衡移动的方向、分析沉淀的溶解和生 成原理， 从已有的对化学平衡的认识角度出发， 通过知识迁移、类比分析， 认识沉淀溶解平 衡的本质特征和要素，发展学生的平衡观念）
问题串 3：①结合 Q 和 Ksp 的关系，分析 Mg(OH)2 处理酸性废水的原理；②为什么处理过 的废水仍然呈弱碱性？③该过程的总反应是什么？
活动 3：小组讨论，得出规律。学生总结：废水中的 H+与 OH-反应生成水，使 OH- 的浓度 降低，使 Q ＜Ksp[Mg(OH)2] ，Mg(OH)2 沉淀溶解平衡向沉淀溶解的方向移动。
图 3 氢氧化镁处理酸性废水的微观原理图
活动 3-续：处理过的废水呈弱碱性，因为过量的 Mg(OH)2 在新的条件下继续建立沉淀溶解 平衡。经过分析和讨论，明确总反应为 Mg(OH)2(s)+2H+(aq) ⇌Mg2+(aq) +2H2O(l)
评价 3：评价学生能否从定量的视角，使用沉淀溶解平衡模型分析沉淀的溶解，诊断学生能 否正确使用化学用语说明反应的原理。
（设计意图在定性分析的基础上，通过应用 Q 和 Ksp 的关系分析实际问题，分析沉淀溶解 的微观过程和原理， 从而帮助学生形成定性、定量结合的双重视角认识平衡的溶解， 形成判 断平衡移动方向的方法和策略。此外， 考察学生能否运用化学用语进行正确的表达， 提升学 生符号表征的意识）
环节 2：研究镁离子对废水碱性的影响
问题 4：工厂产生的废水中除了 H+之外，往往还有 Mg2+ 、Cu2+等金属离子。过量的 Mg2+会 对除酸后废水的碱性产生影响吗？如何设计实验方案呢？
试剂：废水（含酚酞）、1mol/L MgSO4 溶液、蒸馏水；仪器：试管、 一次性塑料滴管。
活动 4：学生讨论，师生共同设计方案。
表 1 探究镁离子对废水碱性影响的定性实验 学生实验 1
实验目的：探究镁离子对废水碱性的影响
实验组
对照组
从废水中取 4mL 上层清液于试管，加
入 2mL 1mol/L MgSO4 溶液， 振荡、观
察颜色变化
从废水中取 4mL 上层清液于试管，加入
2mL 蒸馏水，振荡、观察颜色变化
活动 4-续：完成并记录实验现象，汇报结果。实验组废水的红色比对照组浅，说明镁离子 的过量存在会使废水的碱性减弱。 探究镁离子对废水碱性的影响实验现象
评价 4：通过对实验方案的讨论、实验操作的点评，诊断学生方案设计和实验探究水平。
（设计意图在对实验方案的讨论中， 发现部分学生能设计出实验组， 但无法准确地识别出实 验组中硫酸镁溶液中的水也有可能对实验结果造成干扰， 教师通过交流和追问的方式， 使学 生能够意识到控制变量在实验设计中的重要性， 例如实验组和对照组药品的加入顺序、体积 要控制相等，发展学生设计方案、评价方案、优化方案的能力）
问题 5：废水的颜色变浅，说明碱性减弱、pH 减小， pH 减小到多少呢？借助更加精密的仪 器——pH 传感器进行测定。